遙感數(shù)字圖像第二章講課教案

1、第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 遙感數(shù)字圖像第二章第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 數(shù)字化器的性能n分辨率：?jiǎn)挝怀叽缒軌虿蓸拥南袼財(cái)?shù)，由采樣孔的大小和像素間距的大小決定；n灰度級(jí)：量化為多少等級(jí)；n圖像大?。涸试S輸入圖像的大??；n掃描速度：采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度；第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) n噪聲：數(shù)字化器的噪聲水平。n線性度：線性度是指對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，灰度正比于圖像亮度的實(shí)際精確程度，圖像數(shù)字化設(shè)備的線性度是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，非線性的數(shù)字化器會(huì)影響后續(xù)處理的有效性。 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 圖像數(shù)字化器的類型主要包括:n數(shù)碼相機(jī)n膠片掃描儀第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 二. 圖像數(shù)字化器的組成主要包括:n人

2、工光源n光傳感器n掃描裝置第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 三、圖像的采樣和量化n圖像數(shù)字化：指將模擬圖像經(jīng)過離散化之后，得到用數(shù)字表示的圖像。n模擬圖像：照片、電視、錄象、電影。 數(shù)學(xué)表達(dá)式： 二維分布函數(shù)，t表示時(shí)間變量。模擬圖像數(shù)字圖像離散化),(tyxf第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 數(shù)字圖像：用矩陣來描述的。1, 11 , 10, 11, 11 , 10, 11, 01 , 00, 0,nmmmnniiiiiiiiinmII第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 第一步：空間采樣 將在空間上連續(xù)的圖像轉(zhuǎn)換成離散的采樣點(diǎn)（即像素）集的操作。由于圖像是二維分布的信息，所以采樣是在x軸和y軸

3、兩個(gè)方向上進(jìn)行。數(shù)字化過程第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) n圖像采樣n采樣處理：將xy平面分配到一個(gè)網(wǎng)格上。xy平面平面(a,b)第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 與采樣相關(guān)的概念(分辨率)分辨率 傳感器攝像的精確度。通常指要精確測(cè)量和再現(xiàn)一定尺寸的圖像所必需的像素個(gè)數(shù)。單位：像素*像素第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 分辨率 320 x240第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 分辨率 160 x120第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 分辨率 80 x60第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 圖象尺寸：127*176分辨率：(a)127*176 (b)63*88 (c)31*44 (d)15*

4、22 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 256256646432321616第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 第二步：量化 將各像素的明暗信息離散化，用數(shù)字表示像素點(diǎn)信息稱為圖像的量化。 量化值一般用整數(shù)來表示?？紤]人眼的識(shí)別能力，目前非特殊用途的圖像均為8bit量化，即用0255描述“黑白”。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 圖2-3 量化示意圖（a） 量化； (b) 量化為8 bit 連續(xù)灰度值 量化值 (整數(shù)值)灰度標(biāo)度 灰度量化Zi1ZiZi1qi1qi125525412812710(a)(b)第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) n圖像的量化與數(shù)字圖象的質(zhì)量256256灰度級(jí)灰度級(jí)6464灰度級(jí)灰度級(jí)1616灰度級(jí)灰度

5、級(jí)128128灰度級(jí)灰度級(jí)第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 對(duì)于彩色圖像，是按照顏色成分紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8 bit量化，即每種顏色量級(jí)別是256， 則可以處理256256256=16 777 216種顏色。 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 四. 常用圖像數(shù)字化設(shè)備o數(shù)字相機(jī)o掃描儀o數(shù)字?jǐn)z像機(jī)第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 數(shù)碼相機(jī)的組成o鏡頭oCCD（電荷藕合器件 ）oA/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）oMPU（微處理器） o內(nèi)置存儲(chǔ)器oLCD（液晶顯示器）oPC卡（可移動(dòng)存儲(chǔ)器）o接口（計(jì)算機(jī)接口、電視機(jī)接口） 數(shù)字相機(jī)前面板 數(shù)字相機(jī)背面板 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 第二

6、章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 數(shù)碼相機(jī)的工作原理 (1)鏡頭將光線會(huì)聚到感光器件CCD上； (2)CCD是半導(dǎo)體器件，它代替了普通相機(jī)中膠卷的位置； (3)CCD的功能是光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌瑥?qiáng)度的電信號(hào)，得到拍攝景物的圖像信息； (4)ADC將模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換； (5)MPU(微處理器)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮并轉(zhuǎn)化為特定的圖像格式，例如JPEG、BMP格式，并將圖像文件被存儲(chǔ)在內(nèi)置存儲(chǔ)器中； (6)LCD顯示查看拍攝照片； 部分?jǐn)?shù)字相機(jī)還提供連接計(jì)算機(jī)和電視機(jī)的接口。 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 掃描儀結(jié)構(gòu)圖1 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 掃描儀結(jié)構(gòu)圖2第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 1 1上蓋上蓋：主要是將

7、要掃描的原稿壓緊，以防止掃描燈光線泄露。2 2原稿臺(tái)原稿臺(tái)：主要是用來放置掃描原稿的地方，其四周設(shè)有標(biāo)尺線以方便原稿放置，并能及時(shí)確定原稿掃描尺寸。中間為透明玻璃，稱為稿臺(tái)玻璃。3 3光學(xué)成像部分光學(xué)成像部分：它是掃描儀的核心部件，其精度直接影響掃描圖像的還原逼真程度。它包括以下主要部件：燈管、反光鏡、鏡頭以及電荷耦合器件(CCD)。 掃描儀各部分的功能第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 4 4光電轉(zhuǎn)換部分光電轉(zhuǎn)換部分：是指掃描儀內(nèi)部的主板，它是一塊安置有各種電子元件的印刷電路板。它是掃描儀的控制系統(tǒng)，在掃描儀掃描過程中，它主要完成CCD信號(hào)的輸入處理，以及對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，5 5機(jī)械傳動(dòng)裝置機(jī)械傳動(dòng)裝

8、置：主要包括步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)皮帶、 滑動(dòng)導(dǎo)軌和齒輪組。掃描儀各部分的功能第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 典型數(shù)字?jǐn)z像機(jī)第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 五. 膠片掃描o 膠片掃描的概念o 常用膠片掃描設(shè)備o 膠片掃描儀的性能指標(biāo)第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 1. 膠片掃描的概念n膠片掃描在圖像數(shù)字化過程中占有重要地位。n膠片掃描是對(duì)來自膠片上的信息進(jìn)行數(shù)字化的過程，使這些信息能由計(jì)算機(jī)讀取、處理和應(yīng)用。n膠片是指投影儀、普通相機(jī)或膠片記錄儀中使用的包括膠片、幻燈片、底片等在內(nèi)的各種感光材料，它們能生成圖像或影像。 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 1) 1) 透射率和光密度透射率和光密度 101121TIIT左邊物體的透

9、射率為: 左邊物體的光密度: 1112110lg1lglgDTTIID光密度和透射率示意圖 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 2)2) 攝影過程o膠片顯影o膠片對(duì)光的響應(yīng)o乳化劑的特性o膠片分辨率3)照相復(fù)制第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 2. 常用膠片掃描設(shè)備n膠片掃描儀n膠片紀(jì)錄儀n鼓式掃描儀第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 3. 膠片掃描儀的性能指標(biāo)n介質(zhì)n光學(xué)分辨率n色深度和動(dòng)態(tài)范圍第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 三、圖像的灰度直方圖n定義n性質(zhì)n用途第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 圖像灰度直方圖的定義 灰度直方圖是灰度級(jí)的函數(shù)，描述的是圖像中該灰度級(jí)的像素個(gè)數(shù)。即：橫坐標(biāo)表示灰度級(jí)，縱坐標(biāo)表示圖像中該灰度級(jí)出現(xiàn)的個(gè)數(shù)

10、。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 1234565456214123456643221166466345666146623136466灰度直方圖第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 灰度直方圖另一種定義方式灰度直方圖另一種定義方式n在下頁(yè)圖示中，有一條灰度級(jí)為在下頁(yè)圖示中，有一條灰度級(jí)為D1的輪廓線，的輪廓線，在更高的灰度級(jí)在更高的灰度級(jí)D2處還畫有第二條輪廓線。處還畫有第二條輪廓線。nA1表示第一條輪廓線所包圍區(qū)域的面積，同樣，表示第一條輪廓線所包圍區(qū)域的面積，同樣，A2表示第二條輪廓線所包圍的區(qū)域的面積。表示第二條輪廓線所包圍的區(qū)域的面積。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) n在一幅連續(xù)圖像中

11、，將具有灰度級(jí)在一幅連續(xù)圖像中，將具有灰度級(jí)D的所有輪的所有輪廓線所包圍的面積，稱為灰度級(jí)廓線所包圍的面積，稱為灰度級(jí)D的閾值面積的閾值面積函數(shù)，用函數(shù)，用A(D)表示，則直方圖可定義為：表示，則直方圖可定義為： )()()()(lim0DAdDdDDDADADHD第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) n對(duì)于離散函數(shù)，固定對(duì)于離散函數(shù)，固定D為為1，則上述定義變?yōu)椋海瑒t上述定義變?yōu)椋?H(D)=A(D)-A(D+1) 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 設(shè)r代表圖像中像素灰度級(jí)，作歸一化處理后，r將被限定在0, 1之內(nèi)。在灰度級(jí)中，r=0代表黑，r=1代表白。對(duì)于一幅給定的圖像來說，每一個(gè)像素取得0, 1區(qū)間內(nèi)的灰

12、度級(jí)是隨機(jī)的，即r是隨機(jī)變量。假定對(duì)每一瞬間，它們是連續(xù)的隨機(jī)變量，則可以用概率密度函數(shù)pr(r)來表示原始圖像的灰度分布。若橫軸代表灰度級(jí)r，縱軸代表灰度級(jí)的概率密度函數(shù)pr(r)，這樣就可以針對(duì)一幅圖像在該坐標(biāo)系中作出一條曲線。這條曲線在概率論中就是概率密度曲線，如圖所示。 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 圖像灰度分布概率密度函數(shù) Pr(r)r10Pr(r)10r(a)(b)第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) n直方圖表明每一個(gè)灰度有多少個(gè)象素第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 圖像灰度直方圖的性質(zhì)n直方圖是一幅圖像中各像素灰度值出現(xiàn)次數(shù)直方圖是一幅圖像中各像素灰度值出現(xiàn)次數(shù)（或頻數(shù)）的統(tǒng)

13、計(jì)結(jié)果，它只反映該圖像中不（或頻數(shù)）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，它只反映該圖像中不同灰度值出現(xiàn)的次數(shù)（或頻數(shù)），而未反映某同灰度值出現(xiàn)的次數(shù)（或頻數(shù)），而未反映某一灰度值像素所在位置。也就是說，它只包含一灰度值像素所在位置。也就是說，它只包含了該圖像中某一灰度值的像素出現(xiàn)的概率，而了該圖像中某一灰度值的像素出現(xiàn)的概率，而丟失了其所在位置的信息。丟失了其所在位置的信息。 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) p 任一幅圖像，都能唯一地確定出一幅與它對(duì)應(yīng)的直方圖， 但不同的圖像，可能有相同的直方圖。也就是說，圖像與直方圖之間是多對(duì)一的映射關(guān)系。如圖就是一個(gè)不同圖像具有相同直方圖的例子。 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 空間信息丟失

14、第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) (a)(b) 圖像與直方圖間的多對(duì)一關(guān)系圖像與直方圖間的多對(duì)一關(guān)系 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 圖像灰度直方圖的用途n 用于判斷圖像量化是否恰當(dāng) 直方圖給出了一個(gè)簡(jiǎn)單可見的指示，用來判斷一幅圖象是否合理的利用了全部被允許的灰度級(jí)范圍。一般一幅圖應(yīng)該利用全部或幾乎全部可能的灰度級(jí)，否則等于增加了量化間隔。丟失的信息將不能恢復(fù)。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) l 觀察直方圖可以看觀察直方圖可以看出不合適的數(shù)字化出不合適的數(shù)字化第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 較暗圖象的直方圖 P (r k) r k第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 較亮圖象的直方圖 P (r k) r k第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)

15、 對(duì)比度較低圖象的直方圖 P (r k) r k第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 對(duì)比度較高圖象的直方圖 P (r k) r k第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) n 邊界閾值選取 假設(shè)某圖象的灰度直方圖具有二峰性，則表明這個(gè)圖象的較亮的區(qū)域和較暗的區(qū)域可以較好地分離，取這一點(diǎn)為閾值點(diǎn)，可以得到好的二值處理的效果。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 選取146為閾值的二值化第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 灰度圖具有二峰性第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 具有二峰性的灰度圖的2值化第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 灰度分布效果比較示意圖第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 四、圖像的文件格式四、圖像的文件格式數(shù)字圖像通常有兩種表示形式: 位 圖矢量圖第二章

16、 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 位圖和矢量圖的比較位圖和矢量圖的比較(1)(1)1、點(diǎn)位圖由像素構(gòu)成，矢量圖由對(duì)象構(gòu)成 點(diǎn)位圖的基本構(gòu)圖單位是像素，像素包含了色彩信息。包含不同色彩信息的像素的矩陣組合構(gòu)成了千變?nèi)f化的圖像。 矢量圖形指由代數(shù)方程定義的線條或曲線構(gòu)成的圖形。 如:表示一個(gè)圓形，矢量圖像保存了一個(gè)畫圓的命令、圓心的坐標(biāo)、半徑的長(zhǎng)度等等。欲顯示該圓，矢量繪圖軟件則根據(jù)圓的坐標(biāo)、半徑等信息，經(jīng)過方程式計(jì)算，將圓“畫”在屏幕上。 矢量圖像由許多矢量圖形元素構(gòu)成，這些圖形元素稱為“對(duì)象”。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 2、點(diǎn)位圖面向像素像素繪畫，矢量圖面向?qū)ο蟆皹?gòu)畫” 兩種圖像的構(gòu)成方式不同，其繪畫方式也

17、存在差別。 點(diǎn)位圖是通過改變像素的色彩實(shí)現(xiàn)繪畫和畫面的修改。點(diǎn)位圖軟件提供了模擬手繪習(xí)慣的工具實(shí)現(xiàn)繪畫。這些手繪工具在圖像上移動(dòng)，即可改變相應(yīng)位置上像素的色彩。 矢量圖操縱的是基本的圖形（對(duì)象），以Corel Draw為例,如圖所示,選擇貝賽爾曲線工具，用鼠標(biāo)在頁(yè)面上定出一些節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間有線段，構(gòu)成一個(gè)封閉圖形。用修改工具把這個(gè)圖形調(diào)整圓滑。然后選擇色彩，該圖形即可填充上工整的色彩。這個(gè)新產(chǎn)生的圖形在矢量圖像中，就是一個(gè)基本的矢量圖形對(duì)象。 位圖和矢量圖的比較（位圖和矢量圖的比較（2 2）第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 3、點(diǎn)位圖受到像素和分辨率的制約，而矢量圖形不存在這些制約 點(diǎn)位圖是由像素陣列

18、構(gòu)成的圖像，像素的多少和分辨率決定圖像的質(zhì)量。在用點(diǎn)繪圖軟件開始一幅新作品時(shí)，首先應(yīng)確定圖像的長(zhǎng)寬大小和分辨率，一旦確定下來，以后要改變分辨率，就會(huì)影響圖像的質(zhì)量。另外點(diǎn)位圖的縮放也會(huì)影響圖像的質(zhì)量。 位圖和矢量圖的比較（位圖和矢量圖的比較（3 3）第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 矢量圖形和設(shè)備無關(guān)，即和分辨率無關(guān)。 因?yàn)槭噶繄D由數(shù)學(xué)公式和一些參數(shù)決定。圖形的放大縮小以及分辨率的改變，僅僅是參數(shù)的相對(duì)變化，重新計(jì)算后再顯示出來，依然保持精細(xì)的圖像質(zhì)量。當(dāng)然，這些內(nèi)部計(jì)算，用戶是看不出來的，用戶也不用理會(huì)。如圖，一幅矢量圖形無論怎樣放大，邊線依然平滑。而在繪畫過程中，則可以任意放大若干倍（甚至上萬倍）

19、，精確細(xì)致地描繪任意細(xì)節(jié)。如圖第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 4、點(diǎn)位圖修改麻煩，矢量圖形修改隨心所欲 點(diǎn)位圖的編輯受到限制。點(diǎn)位圖是像素的排列，局部移動(dòng)或改變會(huì)影響到其他部分的像素(包括前面講的對(duì)圖像進(jìn)行放大)。 雖然矢量圖形的作畫方式特別（如前述例子），但是在修改方面卻是比點(diǎn)位圖更勝一籌。在矢量圖形中，一個(gè)圖形對(duì)象的改變，不會(huì)影響其他圖形對(duì)象。位圖和矢量圖的比較（位圖和矢量圖的比較（4 4）第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 圖1是一幅點(diǎn)位圖漫畫，這位女孩的腰部畫得太粗了，要修改苗條。在Painter中，可以選擇一種筆工具，再選擇和背景相同的顏色。把腰部多余的部分涂掉，如圖2.

20、然后再選擇黑色，用鋼筆工具把邊線補(bǔ)上,如圖3;如用鼠標(biāo)，很難把握精度，修改起來更麻煩。如果一次修改不滿意，還要重復(fù)上面的步驟繼續(xù)修改。 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 基本相同的一幅Corel Draw矢量圖漫畫。同樣是要修改女孩的腰部。很簡(jiǎn)單，選擇修改工具，如圖2拖拉一下腰部曲線的節(jié)點(diǎn)就可以把腰部調(diào)細(xì)了，如圖3.不滿意，再調(diào)整一下即可(這種調(diào)整修改不會(huì)影響到其他圖形對(duì)象，可以隨意修改).第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 5、點(diǎn)位圖難以重復(fù)使用，矢量圖形可以隨意重復(fù)使用 在漫畫創(chuàng)作中，尤其在漫畫故事創(chuàng)作中，若能重復(fù)使用一些圖像元素，可以大大提高創(chuàng)作效率。而點(diǎn)位圖的重復(fù)使用相對(duì)比較困難。因?yàn)閳D像元素的重復(fù)使用

21、必然涉及圖像元素的放大縮小和修改，這些正是點(diǎn)位圖的弱點(diǎn)。 相反，矢量圖形是以圖形對(duì)象為基礎(chǔ)，圖形對(duì)象相對(duì)獨(dú)立，而且放大縮小和修改都方便，可以十分隨意地重復(fù)使用。例如，可以把人物的頭部作為一個(gè)圖形對(duì)象。只需要套上不同的身軀，就可以作出不同衣著和動(dòng)態(tài)的形象了。 位圖和矢量圖的比較（位圖和矢量圖的比較（5 5）第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 6、點(diǎn)位圖效果豐富，矢量圖形效果單調(diào)機(jī)械 點(diǎn)位圖可以表現(xiàn)任何復(fù)雜形象，這是矢量圖形的弱點(diǎn)。像云霧、自然界的樹林花叢、山脈等，矢量圖形很難生動(dòng)表現(xiàn)。利用Painter等點(diǎn)位圖軟件，卻可以很輕易地制作出來。 在漫畫中，經(jīng)常要繪畫渲染氣氛的背景。矢量圖形只能勉強(qiáng)表現(xiàn)較機(jī)械的放射線等。若利用Painter等點(diǎn)位圖軟件，繪畫者可以根據(jù)自己的創(chuàng)意，創(chuàng)作千變?nèi)f化的背景效